【回顾过去，展望未来】2015年度十大科学突破！

（本文编译于果壳网文章）宇宙正在缓慢死去，科学依旧飞速前行。2015年，科学一如既往地加深着人类对世界的理解。它一边继续推动着技术的发展，一边继续充当着讨论与合作的基石，同时也不忘反思自己，将前进的步伐调整得更加踏实。以下是果壳网科学人评选出的2015年度十大科学突破，它们让科学在2015熠熠生辉，也为2016留下一片展望。

1

征程：新视野号

2015年7月14日，旅程已近十年的新视野号探测器近距离飞掠冥王星，完成了人类对这颗矮行星的首次探测。在此之前，即使是哈勃空间望远镜，也无法分辨冥王星上的细节地貌。这颗曾经的第九大行星一直徘徊在太阳系的外围，除了轨道以外，没有人确切知道冥王星的一切，就连大小都存在持久的争议。

如今，依靠新视野号陆续传回地球的数据，我们不仅测出了冥王星的精确大小，还第一次看清了它的真实模样。科学家在冥王星上发现了形成年代不足1亿年的高大冰山，被氮冰覆盖的巨大雪原，最近的过去可能喷发过的两座冰火山。种种证据表明，冥王星上存在着持续至今的活跃地质活动，甚至发生着类似地球上冰川活动的氮冰循环。新视野号还发现，冥王星大气层的规模远远超过预期，那里的大气中甚至有多层蓝色的雾霾。

新视野号发回的冥王星最清晰照片，可以看到冥王星上冰壳的巨大碎块挤压在一起形成了高耸的冰山，而低洼区域则被氮冰覆盖形成一片雪原。图片来源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

除了冥王星本身，新视野号还对它的卫星进行了探测。新视野号没有在冥王星周围发现新的卫星，这一点出乎了科学家的意料。冥王星大卫星——冥卫一卡戎上则发现了巨大的裂谷，暗示了这颗卫星过去发生的复杂地质历史。对其他小卫星的探测，则对研究太阳系外围其他的柯伊伯带小天体提供了更多有价值的线索，对于揭露太阳系自身的形成历史也有帮助。

掠过冥王星之后，新视野号飞向了宇宙深处，预计将于2019年飞掠一下个目标，一颗柯伊伯带小天体。而由于距离遥远，它在飞掠冥王星时记录的数据，要花16个月的时间才能全部传回地球。有关冥王星系统的新发现，将继续震撼2016年的我们。

2

革命：CRISPR-Cas9

对当今的分子生物学界而言，CRISPR-Cas9不只是一种基因编辑技术，更是一场革命。由于它在基因编辑方面不可思议的高效和便捷，曾经仅存于科幻小说中的情节如今已几乎成为事实。

2015年4月，中山大学副教授黄军就实现了编辑人类胚胎基因零的突破——他们用CRISPR-Cas9编辑了三原核受精卵中编码血红蛋白β亚基的基因HBB。在这项前无古人的创举引发的争议尚未平息之际，哈佛大学乔治·彻奇（George Church）和杨璐菡的研究小组又利用这种CRISPR-Cas9对猪基因组进行批量编辑，一次性彻底解决了猪内源性病毒的问题，为寻找器官移植的替代资源扫除了一大障碍。

去年，CRISPR-Cas9技术先驱张锋的团队成功破解了Cas9蛋白的结构，从而在更坚实的基础上引爆了一系列技术突破。借助于SgRNA与Cas9蛋白结合时产生的特殊构象，张锋的团队设计出了一种利用Cas9调控基因表达的新技术。他们还开发出了一种“迷你型”的CRISPR新体系。

11月，另一位CRISPR-Cas9技术的先驱詹妮弗·杜德娜（Jennifer A. Doudna）使用实时成像的方法揭示了CRISPR系统运作的过程。而最大的突破出现在不久前，通过对Cas9蛋白的优化改造，张锋团队几乎完全扫除了CRISPR系统的“脱靶”缺陷。

12月，基因编辑领域的众多科学家在美国华盛顿参加人类基因编辑国际峰会。图片来源：Pam Risdon/Risdon Photography/National Academy of Sciences

以CRISPR-Cas9为代表的新基因编辑技术将无可避免地走向临床。但在此之前，充足的研究与讨论是必要的。12月，人类基因编辑国际峰会在美国华盛顿展开，各国研究者与伦理学家、律师和相关公众共聚一堂，深入探讨了发展迅猛的基因编辑所可能带来的科学及伦理问题。这股技术革命将把我们引向何方，我们拭目以待。

3

自省：可重复性项目

科学研究的可重复性一直是研究者共同关注的问题。去年，小保方晴子的“STAP细胞”结果之所以引起怀疑并最终证伪，相当一部分原因就在于她的结果无法被有效再现。在其他领域，研究者在试图再现某些研究的结果时也常常遭遇困难。当前，已发表的研究结果可重复性究竟如何？我们又该怎么提高它？

今年，一项旨在验证科研成果可重复性的研究成为了引发热烈讨论的学界热点。在开放科学中心的号召下，超过270名研究者参与了名为“可重复性项目：心理学篇”的研究项目。在他们的努力下，发表在3份顶级心理学期刊上的100项研究接受了重复实验的考验。8月，这一项目的结果发表在《科学》上：按照研究者制定的可再现标准，100项研究中有61项的结果无法再现。当然，研究者也强调，这一次重复没有得到与原研究一致的结果，并不意味着原研究必然是错的——科学并不能靠一个研究给出定论，只能一点点地去除不确定性。

开放科学中心的创始人之一，弗吉尼亚大学心理学教授布莱恩·诺赛克（Brian Nosek）。图片来源：news.virginia.edu

另一方面，由于重复实验的成本与时间投入极高，“可重复性项目：癌症生物学”课题在12月宣布将其原预期重复的50项研究减少到37项。不过，在这个向度上的努力仍将为评估癌症生物学领域的结果可重复性提供参考。

新的研究结果每时每刻都在往外发表，而可重复性项目的意义，正在于使研究者这些研究的可重复性问题。当我们目睹一种新观点的诞生，我们必须有意识地先问一下：支持这种观点的结果，能被再现吗？为什么？

4

颠覆：脑部淋巴管

解剖学是现代医学中相对“稳定”的领域。自维萨里于16世纪开创了现代人体解剖学，到20世纪初，解剖学知识似乎就已“凝固”了。而根据2015年6月一项发表于《自然》的发现，解剖学教科书恐怕要更新了。

在此前大家熟知的知识里，流淌着淋巴液的淋巴管道遍布全身，但并不存在于脑部。而由美国弗吉尼亚大学乔纳森·基普尼斯（Jonathan Kipnis）教授实验室报告的这项发现则得出了惊人结论：大脑会通过淋巴管道与免疫系统直接相连。

小鼠脑膜中隐蔽存在于血管（绿）旁侧的淋巴管（红）。图片来源：Antonie Louveau

实验室的博士后安东尼·卢沃（Antonie Louveau）在解剖小鼠脑膜时发现，玻片上的免疫细胞呈管状分布，随后就在那里发现了本不可能存在的淋巴管。也许是因为位置实在太隐蔽，此前的研究从未发现中枢神经系统中的淋巴管。基普尼斯坚信，他们也会在人类大脑中发现同样的结构。

这一发现在业内激起了极大反响。有研究者认为这会改写教科书，也会改变我们对大脑运作机制和阿尔茨海默病、多发性硬化症等多种脑部疾病的理解。不过也有研究者对发现的具体意义持保留态度，表示要等待人体中的研究结果。进一步的研究将带领我们迫近更确切的真相。

5

验证：无漏洞贝尔测试

10月29日，荷兰代尔夫特理工大学的科学家在《自然》杂志上撰文，宣称他们在实验中无漏洞地验证了贝尔不等式。

所谓贝尔不等式，本质上是量子力学与爱因斯坦的观念之争。量子力学认为，粒子的状态在观测前是不确定的，直到观测的那一刻才会确定下来。对于一对相互纠缠的粒子而言，对其中一个粒子进行观测，另一个粒子的状态也会在一瞬间确定下来，无论两者相距多远。在爱因斯坦看来，这种超距作用明显超过光速，违背了相对论，是不可思议的。他坚持认为，粒子的性质在测量之前就确定好了，只不过量子力学并不完整，所以无法预测出它的性质。贝尔不等式为两种观点提供了一个可以测量的判据，能够分辨这两个观点谁对谁错。

荷兰代尔夫特理工大学的科学家在检查贝尔不等式实验装置。图片来源：代尔夫特理工大学汉森实验室

过去30多年来，已经有多项实验检验过贝尔不等式，实验结果都支持量子力学的观点。然而，所有那些实验或多或少都存在漏洞，有些没有排除局域性漏洞，有些则没有排除测量漏洞。荷兰的科学家在金刚石色心系统中完成的贝尔不等式实验，首次同时避免了这两种漏洞，从而证伪了爱因斯坦提出的量子力学不完整的观点，更确凿地支持了量子力学。

不过，也有科学家指出，这一实验并未排除第三个漏洞，也就是“自由意志选择”漏洞。未来，如果能够在地球和月亮之间进行实验，才能真正做到毫无漏洞地验证贝尔不等式。

6

触碰：人造皮肤

人的手部皮肤和大脑之间的互动异常精细复杂，一只手上就有上万感受器负责接收不同的信息。这让义肢很难模拟真实肢体的感觉。但为了让更多因故无法用手体会物体质感的人重获触觉，一些研究者决定迎难而上。2015年10月发表于《科学》的一项研究，就首次成功将人造皮肤将感知到的压力传递到人造皮肤佩戴者的神经系统。

这项工作由斯坦福大学华裔科学家鲍哲楠带领的研究小组完成，他们借助光遗传学，成功地让人造皮肤感受压力并将触觉传递给了小鼠的大脑切片。技术的核心是一种名为“DiTact”的人造机械感受器，在这个感受器的上层，具有延展性的压力感受材料能够模拟皮肤，“区分”施加其上的不同压力，并转化成不同的电压信号；下层的集成电路则能将电压信号转换成电脉冲。电脉冲随后被转化为光脉冲，再传到小鼠的神经元。

可延展塑料皮肤和里面的人造机械感受器。图片来源：Bao Research Group, Stanford University

这项工作的重要之处在于，这种压力感受器能产生与神经元工作方式兼容的信号，为以后在义肢中整合应用打下了基础。研究者未来的目标是让人造皮肤能感知并传递温度、质地等其他触觉感受，最终致力于向需要的人提供完善的“人造触觉”。

7

惊异：最亮类星体

2月26日，北京大学科维理天文与天体物理研究所的吴学兵教授率领的团队，在《自然》杂志上发表论文，宣布发现了目前已知的遥远宇宙中发光最亮、中心黑洞质量最大的类星体。

所谓类星体，是星系中心超大黑洞吞噬物质释放巨大能量的一种现象。吴学兵等人利用我国云南口径2.4米的天文望远镜，发现一颗距离我们128亿光年、发光强度是太阳的430万亿倍、中心黑洞质量约为太阳120亿倍的超亮类星体。

遥远宇宙中拥有巨大黑洞的类星体示意图。图片制作人：李兆聿/上海天文台；背景图片来源：NASA/JPL-Caltech和Misti Mountain Observatory

这一超级黑洞的发现，对宇宙早期黑洞的形成与增长理论提出了严峻的挑战。按照目前主流的大爆炸理论，我们的宇宙形成于138亿年前。天文学家现在必须思考，如何在短短9亿年的时间里，让一个黑洞长到120亿倍太阳质量！这种增长方式一定是非常特别的，至少目前的理论是难以解释的。

同时，这一类星体又是遥远宇宙中最亮的类星体，比太阳亮430万亿倍。它就像遥远夜空中一盏最明亮的灯塔，其耀眼的光芒可帮助天文学家了解很多以前无法了解的宇宙早期的信息。在观测得到的近红外光谱中，天文学家已发现了从这一遥远类星体到地球的漫漫长路上，光所经过的在不同距离上分布的宇宙物质的“脚印”，这也为以后利用更多的遥远类星体来研究早期宇宙的结构提供了最好的示范。

8

新祖：纳勒迪人

人类进化树枝繁叶茂，近三十种古人类曾先后生活在这个世界上，而在2015年9月，这个名单又增加了一位新成员。但这个新的祖先有些不同寻常：也许在他们那里，诞生了最初的葬礼。

这个新的人属物种发现于南非约堡西部的升星洞，按照当地索托语“星”一词而命名为纳勒迪人（Homo naledi）。他看起来是南方古猿和人之间的过渡。脑容量很小，但是颅骨的各种形态都更加和人相似；躯干和骨盆较为原始，但手部灵活，应是出色的工具使用者；趾骨弯曲形成足弓，这是直立行走的证据。

纳勒迪人的面部和骨骼复原图。图片来源：nationalgeographic.com

但真正奇特的是这个洞穴的其他特点。这里有多达1500块人骨，对应至少15个人，却没有任何石器或者其他生活痕迹；人骨上没有野兽咬痕，周围也没有对应着洪水的碎石或者植物体。排除别的选项，留下的最大可能是：这是一处纳勒迪人用来埋葬同伴的墓穴。

当然，我们无从猜测埋葬行为的起源，但如果将来我们能顺利得出他们生存的时代，那这也许就是最初的文明火花之一。

9

旧命：宇宙正在死去

宇宙正在死去。当然这早就不是什么新闻了，万事万物都在死去——但现在我们知道了它死去的速度。

在分析了20万个恒星系的能量产出之后，星系与质量巡天计划（GAMA）的天文学家发现，它们的光和热只有20亿年前的一半了，并且还在持续下跌。

我们宇宙中的一切都来源于大爆炸，但是爆炸的余晖将不可避免地逐渐消退。恒星系依然在诞生中，只是新的恒星系赶不上旧星系衰退的速度而已。而四台天文望远镜从红外到紫外的21个波段数据显示，这一衰退同时发生在所有的频段上。23亿年前，我们宇宙产生的能量还是(2.5±0.2)*1035h70 W Mpc-3，15亿年前的能量产率已经降到了88%，7.5亿年前是60%，今天只有50.4%。

艺术家笔下描绘宇宙终结场景的概念图。图片来源：Moonrunner Design/ science.nationalgeographic.com

当然，23亿年前地球上甚至都没有真核生物，也没有充足的理由相信人类能存活到23亿年之后。但是，当太阳最终熄灭，我们终于被逼无奈要寻找另一颗太阳的时候，如果突然发现四周一无所有，我们也不应该感到惊讶。

10

合作：巴黎协议

2015年12月14日，在巴黎气候大会上，世界历史性地达成了一个普遍性的、具有法律约束力的气候变化协议。自《京都议定书》以来气候大会未能促成广泛性协议的历史，在2015年末终结了。

气候数据显示，自工业革命以来，人类因燃烧化石燃料排放了大量温室气体。如果不加以遏制，全球平均温度会在2100年上升4.5℃。极地冰川融化、海平面上升、许多沿海地区将被海水吞噬。同时，气候变化引发的风暴、洪水、干旱等极端天气越发频繁猛烈。除此以外，中国还经历着化石燃料为主的能源结构带来的影响——空气污染。世界迫切需要共同应对气候变化的挑战。

巴黎气候大会与会者共同庆祝巴黎协议的通过。从左至右：联合国气候变化首席克里斯蒂安娜·菲格雷斯、联合国秘书长潘基文、法国外交部长洛朗·法比尤斯和法国总统弗朗索瓦·奥朗德。图片来源：nytimes

在此背景下，协议制定了应对气候变化的目标及措施：1、相较前工业水平，全球变暖应“远低于”2℃，并“努力”使变暖的温度低于1.5℃；2、减少化石燃料的使用；3、每五年对国家进行审查，并根据情况提高减排目标。此外，富裕国家将对贫穷国家提供资助，帮助后者发展更为绿色的能源。

具体到中国的计划，将是稳步用可再生能源替代化石燃料，从而减少二氧化碳排放并减少空气污染，并在2030年前达到二氧化碳排放的峰值。

虽然仍面临着协议目标过高难以达到、没有规定各国的减排指标以及没有包括进国际航运和航空等一系列问题，但巴黎气候会议无异给世界人民传达了一个有力信号：在气候变化上，全球将相互合作，引导人类走向更安全的未来。

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